Page 34 - 《真空与低温》2025年第4期

任宏宇等：液氢增压泵低压端活塞迷宫密封瞬态泄漏数值研究 449

格划分采用以四边形为主，三角形为辅的方式。压
缩腔区域 2 和差动腔区域 6 在动网格设置中是网
泄露 H 格发生变化的区域，这里使用 Multizone 方法全部
划分为四边形网格，网格尺寸设定为 0.25 mm；区
L j
H s 域 3 和区域 7 采用默认全四面体方法，网格尺寸设
定为 0.25 mm；区域 4 和区域 5 采用四边形三角形
L s
混合划分方式，起到一个过渡作用连接两侧尺寸差

图 4 迷宫密封结构示意图 异巨大的网格，网格尺寸设定为 0.025 mm；迷宫密
Fig. 4 Schematic diagram of labyrinth seal structure 封 区域 1 采 用 全 四 边 形 方 法 ， 网 格 尺 寸 设 定 为

1.3 模型动网格设置与无关性验证 0.005 mm，边界层网格第一层高度设定为 0.003 mm，
图 5 为活塞迷宫密封流道网格模型，该模型网 层数设定为 3 层。

1
4 5 6 7
2

Fluid3
Fluid1 Fluid2 Fluid4

3

图 5 活塞迷宫密封流道网格模型
Fig. 5 Schematic diagram of labyrinth seal structure

采用层铺方法进行动网格设置。Fluid2 内部 0.4 MPa，过冷度余量很大，采用单相流模型；湍流模
的所有网格、边界以及内部面都被设定为刚体运 型采用 RNG k-ε 模型。所有流体区域工质为液氢，
动。几何边界的运动规律采用 UDF 方式控制，活 液氢物性参数采用 NIST 数据库中液氢的物性参数。
2
塞的运动规律可以写成如下形式： 重力方向指向增压泵高压端，数值设定为 9.8 m/s 。
差 动 腔 液 氢 液 池 入 口 为 压 力 入 口， 压 力 为
u piston = −0.35π[sin(10πt)+0.1sin(20πt)] （11）
0.4 MPa，温度为 22 K；柱塞通道出口设置为压力
活塞往复运动频率为 5 Hz，一个排液行程为周
出口，压力为 0.7 MPa，温度为 22 K，仿真参数设置
期的一半 0.1 s。活塞初始位置设定为低压端排液
汇总于表 3。
行程开始的位置，并以此时刻作为初始时刻设为

0 s，此时增压泵低压端压缩腔容积达到最大值，而
表 3 仿真计算参数设置
差动腔容积被压缩到最小。随着时间的推进，Fluid2 Tab. 3 Simulation calculation parameters setting
整体向左移动，Fluid1 压缩腔被不断压缩，容积减
参数 设置与取值
少，Fluid3 差动腔容积不断增大。
2
气缸壁面 恒热通量：8.67 W/m （无滑移）
迷宫密封区域网格密度对于泄漏量数值结果
的影响较大，其余区域的网格密度对于泄漏量几乎 活塞壁面 绝热（无滑移）
没有影响，这里只改变迷宫密封区域和缓冲区域的 入口压力/MPa 0.4
网格密度，通过计算不同网格密度下迷宫密封泄漏 入口温度/K 22
量来进行网格无关性验证。分别采用 0.01 mm、 出口压力/MPa 0.7
0.008 mm、 0.005 mm、 0.004 mm 和 0.003 mm 网 格 时间步长/s 0.000 1
尺寸对迷宫密封区域 1 进行网格划分，同时边界层 时间步数 1 000
网格高度不变。
计算所采用的液氢液池温度为 22 K，该温度下 仿真并未考虑液氢泵柱塞漏热，所以柱塞侧的
液氢饱和压力为 0.16 MPa，远低于液氢液池压力为 壁面设定为绝热、无滑移壁面；气缸侧的壁面设定